Estrategia para la predicción del daño acumulado en un tren de aterrizaje en material compuesto

Abstract

El objetivo de este trabajo es presentar una metodología de trabajo para formular un modelo capaz de predecir el daño acumulado en un tren de aterrizaje sometido cargas cíclicas de operación. Dicho tren corresponde al de un vehículo aéreo no tripulado y consiste en una estructura tipo sándwich, formada por un núcleo de espuma recubierto por pieles de un compuesto de fibra de carbono y resina epóxica. En esta primera etapa, además de presentar la metodología, se ejecuta gran parte de las tareas involucradas. Éstas son la caracterización mecánica de las pieles carbono/epoxi, el análisis por elementos finitos de la estructura y el diseño de una probeta a escala del modelo, la que permitirá hacer ensayos de carga cíclica para estudiar el comportamiento del núcleo y poder validar un modelo de daño. Esta metodología contempla la fabricación de probetas con el material compuesto de las pieles y la caracterización mecánica de ellas tanto en tracción como en compresión. También considera ensayos de fatiga bajo cargas cíclicas de tracción y bajo cargas cíclicas de compresión. Así, se obtiene las curvas de fatiga respectivas. Luego, con las propiedades de material obtenidas se hace un modelo numérico para determinar los esfuerzos que ocurren en el tren bajo carga de diseño. Con estos resultados de esfuerzo más las curvas de fatiga, se determina el número crítico de ciclos de carga en las pieles. Finalmente, se diseña la geometría de una probeta a menor escala del tren donde se reproduce el estado de esfuerzos de la estructura. De esta forma, se podrá estudiar el comportamiento a la fatiga del núcleo y completar el análisis de daño en el tren de aterrizaje, con un gran ahorro en materiales y tiempo de fabricación, simplificando también el dispositivo de ensayo requerido. La fabricación de las probetas de compuesto para los ensayos se hizo por infusión al vacío en el Laboratorio de Materiales Compuestos del Departamento de Ingeniería Mecánica. La caracterización mecánica del compuesto carbono/epoxi se llevó a cabo en el Laboratorio de Mecánica de Sólidos del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Concepción, bajo los estándares ASTM respectivos. Se obtuvo un comportamiento bilineal debido a la diferencia en el módulo de elasticidad para tracción y compresión, además de la diferencia entre los esfuerzos de ruptura en cada caso. Las propiedades del núcleo se tomaron de la hoja de datos proporcionada por el fabricante. La caracterización en fatiga del compuesto también se realizó en el Laboratorio de Mecánica de Sólidos del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Concepción, bajo los estándares ASTM respectivos. De aquí se obtuvo la curva de fatiga del material tanto en tracción como en compresión. En el trabajo anterior presentado como memoria de título se validó experimentalmente un modelo de elementos finitos del tren. Ahora, con los nuevos parámetros de material obtenidos, se desarrolló un modelo numérico del tren bajo carga de diseño que consideró el comportamiento bilineal como también la no linealidad geométrica debida a los grandes desplazamientos. Aquí se determinó los máximos esfuerzos en las pieles (-139 MPa en compresión y 157 MPa en tracción) y además se verificó que el núcleo no falla según el criterio de Tsai Wu. Considerando los esfuerzos obtenidos del modelo numérico y las curvas de fatiga, se pudo ver que la piel sometida a compresión es la más crítica, con una vida esperada de 19.2x106 ciclos. Este resultado corrobora el excelente comportamiento en fatiga del material compuesto por fibra de carbono y resina epóxica. Sin embargo, para completar la metodología propuesta queda como trabajo futuro la fabricación de las probetas a escala y los ensayos de fatiga respectivos. Así se podrá estudiar el núcleo bajo cargas cíclicas, analizar cómo la degradación de sus propiedades mecánicas afecta el comportamiento de la estructura y validar un modelo de daño en función de la pérdida de rigidez.